Question

12．圖示是研究物體所受風(fēng)力大小的原理圖，CD是一段長(zhǎng)40cm的光滑均勻電阻絲，阻值20歐，一質(zhì)量和電阻均不計(jì)的足夠長(zhǎng)的細(xì)金屬絲一端固定于O點(diǎn)，另一端懸掛重力為10N的小球P，無(wú)風(fēng)時(shí)金屬絲處于豎直位置，與C接觸，OC=20cm；有風(fēng)時(shí)金屬絲向左偏轉(zhuǎn)，（虛線所示，圖中所有導(dǎo)電接觸良好且摩擦不計(jì)）．電源電壓U=4V
（1）當(dāng)金屬絲與豎直方向夾角為45度角時(shí)，水平風(fēng)力大小為多少牛？此時(shí)電阻絲消耗的電功率多大？
（2）當(dāng)風(fēng)力不變，風(fēng)向向下發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)時(shí)（偏轉(zhuǎn)角度小于90度），電流表的示數(shù)將變�。�（填“變大”、“變小”或“不變”）
（3）試找出該電路設(shè)計(jì)中的缺陷？

Answer 1

分析 （1）由圖可知，滑片左側(cè)部分接入電路中，對(duì)物體受力分析后利用平衡條件求出水平風(fēng)力的大��；根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系得出OP右側(cè)部分電阻絲的長(zhǎng)度，然后求出滑片左側(cè)部分電阻絲的長(zhǎng)度，根據(jù)長(zhǎng)度關(guān)系求出OP左側(cè)部分電阻絲的阻值，最后根據(jù)P=$\frac{{U}^{2}}{R}$求出此時(shí)電阻絲消耗的電功率；
（2）當(dāng)風(fēng)力大小不變，方向向下發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)時(shí)，水平方向的分力變小，滑片右側(cè)部分長(zhǎng)度變短，左側(cè)部分長(zhǎng)度變長(zhǎng)，進(jìn)一步判斷電路中電阻的變化，根據(jù)歐姆定律可知電流表示數(shù)的變化；
（3）由電路圖可知，當(dāng)風(fēng)力過(guò)大時(shí)，電阻絲接入電路中的電阻為0，會(huì)造成電源短路，據(jù)此進(jìn)行解答．

解答 解：（1）當(dāng)細(xì)金屬絲與豎直方向夾角為45°角時(shí)，對(duì)金屬球受力分析如右圖所示：
由平衡條件得：F=F₁sinθ，G=F₁cosθ，
即：F=Gtanθ=10N×1=10N；
OP右側(cè)部分電阻絲的長(zhǎng)度：
l_右=l_OC×tan45°=20cm×1=20cm，
OP左側(cè)部分電阻絲的長(zhǎng)度：
l_左=l_CD-l_右=40cm-20cm=20cm，
OP左側(cè)部分電阻絲的電阻：
R_左=$\frac{{l}_{左}}{{l}_{CD}}$×R_CD=$\frac{20cm}{40cm}$×20Ω=10Ω，
此時(shí)電阻絲消耗的電功率：
P=$\frac{{U}^{2}}{{R}_{左}}$=$\frac{（4V）^{2}}{10Ω}$=1.6W；
（2）當(dāng)風(fēng)力大小不變，方向向下發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)時(shí)，
水平方向的分力變小，滑片右側(cè)部分長(zhǎng)度變短，左側(cè)部分長(zhǎng)度變長(zhǎng)，接入電路中的電阻變大，
由I=$\frac{U}{R}$可知，電路中的電流變小，即電流表的示數(shù)變��；
（3）該電路設(shè)計(jì)中的缺陷：當(dāng)風(fēng)力過(guò)大時(shí)，會(huì)造成電源短路．
答：（1）當(dāng)金屬絲與豎直方向夾角為45度角時(shí)，水平風(fēng)力大小為10N，此時(shí)電阻絲消耗的電功率為1.6W；
（2）變小；
（3）該電路設(shè)計(jì)中的缺陷：當(dāng)風(fēng)力過(guò)大時(shí)，會(huì)造成電源短路．

點(diǎn)評(píng) 本題是一道電學(xué)和力學(xué)的綜合題，知道風(fēng)力變化時(shí)電阻絲接入電路中電阻的變化是關(guān)鍵，難點(diǎn)是找出電阻與角度的數(shù)量關(guān)系以及風(fēng)力與角度的關(guān)系．